Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. Teorie měření a regulace. emisivní p. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace emisivní p. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 Přímé pokračování - 2. díl o A emisivních principech snímačů VR - ZS 2010/2011

3 TERMOGRAFIE Bezkontaktní měření intenzity infračerveného záření na povrchu předmětů 10 ºC 0 ºC -5 ºC VR - ZS 2009/2010

4 TERMOGRAFIE snímkování za chladného počasí - dům delší dobu dobře vytápěn - nejlepší měření je při max. rozdílu vnitřní a venkovní teploty - ideální venkovní teplota je do +5 C a méně.

5 TERMOGRAFIE Něco trošku z praktických poznatků a informací Učebna E624 čelní rohové okno vpravo nahoře červen, cca půl 11 dopoledne venkovní teplota cca 25 o C, slunečno VR - ZS 2010/2011

6 TERMOGRAFIE 30 ºC 0 ºC křivka teploty v místě vloženého řezu -5 ºC VR - ZS 2009/2010

7 TERMOGRAFIE

8 TERMOGRAFIE Až do poloviny 20 století byla termografie využívána výhradně armádou. V 60. letech byly zrušeny bezpečnostní předpisy a termografie se začala používat v civilním sektoru Největší využití začalo v USA, pak se rozšířilo do technicky vyspělého zbytku světa a konečně i k nám. Takto to začínalo VR - ZS 2009/2010. a toto jsou ze současnosti

9 TERMOGRAFIE Ve viditelném spektru se odraz energie neprojevuje V IČ spektru se odraz energie okolních předmětů může projevit změnou povrchové teploty VR - ZS 2009/2010

10 TERMOGRAFIE Zjišťování neviditelných stop zachovají se po dobu, než stopy doslova vychladnou (přestanou zářit, protože se jejich teplota srovnala s teplotou podložky). VR - ZS 2009/2010

11 TERMOGRAFIE Existující tabulky emisivit povrchů jsou pouze orientační e = 0,95, O.E.= 20 C t = 36,8 C e = 0,50, O.E.=20 C t = 50,2 C 50 ºC 50 ºC Chybně 10 ºC 50 ºC 10 ºC Správně e = 0,50, O.E.=24 C t = 30,0 C

12 TERMOGRAFIE závady na fotovoltaických článcích

13 TERMOGRAFIE termokamerou lze zjišťovat i místa, kde teplota je výrazně nižší a při zvýšené vlhkosti může být potencionálním místem vzniku plísní.

14 Jeden z hlavních a prakticky nejdůležitější z provozních parametrů, které je nutno respektovat, znát a na kameře nastavit je emisivita tělesa. Ideálně černé těleso má emisivitu 1, lesklá tělesa mají emisivitu velmi malou (až 0,1). Malá emisivita tělesa většinou znamená menší přesnost měření - do měřeného zářivého toku tělesa totiž může značným způsobem vstoupit zdánlivá odražená teplota, která ovlivňuje naměřený výsledek. VR - ZS 2012/2013

15 Termovizní snímky mohou být radiometrické a neradiometrické (pouze zobrazující). Radiometrické termovizní systémy umožní vypočítat teplotu na povrchu tělesa základem pro výpočet je množství snímaného infračerveného zářivého toku. V plně radiometrickém termogramu lze provádět měření teplot a upravit parametry snímku i po jeho uložení. VR - ZS 2012/2013

16 Na naměřenou hodnotu v bodě má vliv velikost obrazového bodu snímače bude li velikost obrazového bodu větší než měřený objekt, pak bude výsledek měření ovlivněn okolím měřeného objektu nutno uvažovat vliv použité optiky. Rozlišení detektoru u nejlevnějších kamer je asi 80x80 obrazových bodů (pixelů) největší je full HD. Dalším důležitým parametrem je teplotní citlivost, která u dobrých kamer může dosahovat až 50 mk (rozliší rozdíl teplot od 0,05 C). VR - ZS 2012/2013

17 TERMOGRAFIE Snímače v termovizních kamerách jsou založeny na jiném principu než v systémech pro snímání obrazu pro snímkování v průmyslovém i normálním domácím použití: infra-termočlánky pyroelektrické snímače - detektory fotonové snímače.

18 Bolometr Princip bolometrického detektoru infračerveného záření je znám od 80. let 19. století - princip činnosti je jednoduchý, vzdáleně podobný kovovým odporovým senzorům teploty. Elektrický odpor bolometru se mění v závislosti na jeho teplotě na dopadajícím tepelném záření - závisí na množství absorbovaného dopadajícího infračerveného záření. Množství dopadajícího záření je určeno ze změň odporu bolometru. Aby byla změna teploty bolometru úměrná pouze absorbovanému infračervenému záření, musí být vlastní bolometr tepelně izolován od svého okolí a nesmí přijímat sekundární emise a odrazy

19 Bolometr Citlivé zařízení pro měření celkového toku záření ve všech vlnových délkách - funkce je založena na teplotní změně vodivosti obvykle platinového nebo zlatého proužku kterým prochází slabý proud, měřený galvanometrem - existuje řada různých druhů bolometrů založených na stejném principu.. Záření pohlcené proužkem zvýší jeho teplotu, sníží tak jeho elektrický odpor a zvýší měřený proud proto mnohdy si čidlo vyžaduje samostatné chlazení. Údaj galvanometru je mírou celkového dopadajícího toku tepelného (infračerveného) záření.

20 Bolometr Bolometrické čidlo se obvykle jako vhodně tvarovaný tenký pásek z čistého kovu (Platina) - moderní konstrukce mají namísto kovového pásku termistor. Typické materiály používané pro absorpční odporové vrstvy bolometrů jsou oxidy vanadu - například oxid vanadičitý VO 2 - naprosto odlišný materiál pro odporovou vrstvu je amorfní křemík. Od vedlejších rušivých vlivů (ztráty konvekcí) se bolometr izoluje vakuovým pouzdrem.

21 Bolometr Supravodivý bolometr má místo platinového proužku nitrid niobu chlazený tekutým vodíkem - odpor s teplotou prudce klesá a nitrid se při teplotě 14,34-13,38 K stává supravodivým následkem toho i při malé změně teploty dochází k velké změně vodivosti. Bolometr je zvláště užitečný pro měření v infračerveném a submilimetrovém oboru spektra. V astronomii ve spojení s dalekohledem se užívá k měření celkového záření hvězd a tepelného záření planet i jejich měsíců.

22 TERMOGRAFIE Bolometr z řeckého bole: paprsek měří celkový vyzářený tepelný výkon prostřednictvím infračerveného záření je to citlivý prvek určený pro měření slabého záření založený na odporu s vysokým teplotním koeficientem dneska se vyskytují v podobě integrovaných obvodů obsahující uspořádání několika desítek, stovek nebo i tisíců bolometrů do matice, obecně označované jako mikrobolometry.

23 Bolometr Pohlcováním dopadajícího záření se mění odpor bolometru, na základě čehož se vypočítá množství pohlcené energie. Bolometr je vhodný pro velmi přesné měření teploty. Hlavní dnešní použití je v termo-kamerách sloužících pro bezdotykové (bezkontaktní) měření teploty na povrchu těles. Jako speciální aplikace je použit v astronomii ve spojení s dalekohledem k měření záření hvězd a tepelného záření Měsíce a planet. Jiné použití v provedení spektrobolometr - pro proměřování rozložení intenzity dílčích zdrojů ve spektru záření opět jako speciální aplikace v astronomii pro analýzu Slunce..

24 Bolometr - parametry Jsou rychlé - krátká časová konstanta (až 1 ms) odezvy při změně. Velká citlivost - spektrální citlivost 1.6 až 5000 µm. Velký pracovní teplotní rozsah senzorů (-40 C až 100 C). Lze bez problémů měřit vysoký rozsah teplot měřeného objektu (i nad 1500 C) z toho plyne i nutnost použít chlazení bolometrického čidla některých typů. Malé rozměry (u mikrobolometrů jen desítky µm). Neovlivňuje měřený objekt. U mikrobolometrů velký počet snímačů (přes 80 tisíc) na malé ploše => infračervené snímaní obrazu s rozlišením běžně 320x240 pixelů.

25 Bolometr - použití Monitorování tepelného zatížení součástek, objektů - termovize s rozlišením běžně 320 x 240 pixelů, ale i více. Detekce ohně a plamenů. Detekce výbuchu. Bezdotykové měření teploty. Kontinuální nebo časové monitorování teploty procesů. Spektrometrie. Měření teploty pohyblivých předmětů. Astronomie. Infračervené kamery a dalekohledy. Zabezpečovací technika.

26 Bolometr Mikrobolometry se využívají hlavně pro účely infračerveného snímání obrazu asi přesněji. pro účely získání informací o tepelném vyzařování (tepelné emisi) povrchu předmětu / tělesa. Nejčastěji se dnes používají pro potřeby termovize, tzn. infračerveného snímání obrazu předmětů s následnou možností měření nebo detekce jejich teploty. Pole mikrobolometrů tvoří obraz min. 120 * 100 pixelů maximum dnes jde až do počtu pixelů pro tzv. full HD obraz. Nevýhodou je velmi vysoká cena za výšší počet pixelů a nutnost pro vyšší a vysoké rozlišeni získání nákupní licence od majitele patentů (a od ministerstva v USA).

27 Bolometr Mikrobolometrická pole jsou obvykle vyrobena na monolitických křemíkových substrátech jako běžné integrované obvody - vlastní čidlo je tvořeno dvourozměrným polem můstkových struktur pokrytých teplotně citlivým odporovým materiálem absorbujícím infračervené záření. Kromě vlastního šidla čipy obsahují ještě čtecí elektroniku a další pomocné obvody - celý čip je umístěn ve vakuovaném pouzdře můstková struktura zajišťuje dobrou tepelnou izolaci mezi vlastním mikrobolometrem a křemíkovým substrátem.

28 Bolometr Na obrázku 1 je znázorněna struktura pole složeného z 3 3 mikrobolometrů - obrázek 2 ukazuje skutečné provedení mikrobolometrického snímače.

29 Bolometr Novější mikrobolometrická čidla mají (pro zlepšení vlastností) na substrátu pod jednotlivými mikrobolometry nanesenu reflexní vrstvu - slouží k odrazu záření, které mikrobolometrem nebylo absorbováno zpět do mikrobolometru, čímž se zvyšuje účinnost čidla. Dalším důsledkem reflexní vrstvy je potlačení vlivu teploty substrátu, protože jím emitované infračervené záření odráží zpět.

30 Bolometr Výstupní signál je tvořen sekvenční posloupností složenou ze signálů jednotlivých elementů - vyčítání probíhá klasickým způsobem řádkovým multiplexerem se vybere jeden aktivní řádek + sloupcovým multiplexerem se postupně vybírají výstupy jednotlivých elementů z aktivního řádku. Po přečtení všech pixelů daného řádku se vybere následující řádek. Tento postup se posutpně opakuje pro všechny řádky mikrobolometrického pole

31 Bolometr Zjednodušené blokové uspořádání čipu snímače - na obrázku nejsou zakresleny bloky časování a řízení.

32 a to by bylo k informacím o dalších principech snímačů (skoro) vše 18-2b..

33 VR - ZS 2014/2015